科肯德尔效应

科肯德尔效应是由于金属原子扩散速率的差异而发生的两种金属之间界面的运动。 例如，可以通过在纯金属和含有该金属的合金之间的界面放置不溶性标记，并加热到原子扩散在给定时间范围内合理的温度来观察效果； 边界将相对于标记移动。

该过程以 Ernest Kirkendall（1914-2005 年）的名字命名，他于 1941 年至 1946 年在韦恩州立大学担任化学工程助理教授。描述该效应发现的论文发表于 1947 年。

科肯德尔效应具有重要的实际意义。 其中之一是防止或抑制在各种合金与金属结合的边界界面处形成的空隙。 这些被称为柯肯德尔空洞。

科肯德尔效应是欧内斯特·柯肯德尔和爱丽丝·斯米格尔斯卡斯于 1947 年在柯肯德尔正在进行的黄铜扩散研究过程中发现的。 他发现这一著名效应的论文是他关于黄铜扩散的系列论文中的第三篇，xxx篇是他的论文。 他的第二篇论文揭示了锌在 α 黄铜中的扩散速度比铜快，这导致了这项研究产生了他的xxx性理论。 在此之前，替代法和环法是扩散运动的主要思想。 柯肯德尔的实验证明了空位扩散机制，这是迄今为止公认的机制。 在提交时，这篇论文和柯肯德尔的想法被卡内基理工学院（现为卡内基梅隆大学）金属研究实验室主任罗伯特富兰克林梅尔拒绝发表。 Mehl 拒绝接受 Kirkendall 的这种新扩散机制的证据，并在六个多月的时间里拒绝发表，直到召开会议和其他几位研究人员证实了 Kirkendall 的结果后才让步。

一根黄铜棒（70% Cu，30% Zn）被用作核心，沿其长度拉伸钼丝，然后涂上一层纯铜。 由于钼极难溶于黄铜，因此选择钼作为标记材料，从而消除了由于标记自身扩散而导致的任何错误。 在 56 天的过程中，允许在 785 °C 下进行扩散，在整个实验期间，横截面被截取六次。 随着时间的推移，观察到当锌从黄铜扩散到铜中时，线标移动得更近。 不同时间的横截面可见界面位置的差异。 由扩散引起的材料组成变化通过 X 射线衍射得到证实。

早期的扩散模型假设替代合金中的原子运动是通过直接交换机制发生的，在这种机制中，原子通过与相邻晶格位置上的原子交换位置来迁移。 这种机制意味着两种不同材料穿过界面的原子通量必须相等，因为每个穿过界面的原子都会导致另一个原子沿另一个方向穿过。

另一种可能的扩散机制涉及晶格空位。 原子可以移动到空位，有效地导致原子和空位交换位置。 如果在一种材料中发生大规模扩散，就会有一个方向的原子通量和另一个方向的空位通量。

当两种不同的材料彼此相邻放置并且允许它们之间发生扩散时，就会出现科肯德尔效应。 一般情况下，两种材料在彼此中的扩散系数是不一样的。

这只有在通过空位机制发生扩散时才有可能； 如果原子通过交换机制扩散，它们将成对穿过界面，因此扩散速率将相同，这与观察结果相反。 根据菲克xxx扩散定律，扩散系数高的材料的原子通量会更大，因此从扩散系数高的材料到扩散系数低的材料的原子通量将是净的 系数。 为了平衡这种原子通量，将有相反方向的空位通量——从扩散系数较低的材料到扩散系数较高的材料——导致晶格相对于环境的整体平移 具有较低扩散常数的材料的方向。

可以通过在两种材料之间的初始界面放置惰性标记来收集科肯德尔效应的宏观证据，例如在铜和黄铜之间的界面放置钼标记。 在这种情况下，锌的扩散系数高于铜的扩散系数。